黃 薛， 曾純品， 高 揚(yáng)

(1.山東省地礦局八○一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),山東 濟(jì)南 250014; 2.山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

濟(jì)南是泉水歷史文化名城，泉水保護(hù)越來(lái)越受到重視[1]。按照濟(jì)南市政府“加快科學(xué)發(fā)展、建設(shè)美麗泉城”的工作部署，為確保建筑基坑工程及周邊環(huán)境安全，切實(shí)做好節(jié)水保泉工作，在建筑基坑工程中需要進(jìn)一步加強(qiáng)截水帷幕、回灌等技術(shù)應(yīng)用工作。目前基坑降水工程應(yīng)用的回灌設(shè)備比較單一，自動(dòng)化程度不高，還沒(méi)有成套、系統(tǒng)化的一體化回灌裝置用于基坑降水回灌，基坑降水工程中多采用利于水的重力自然滲漏方式進(jìn)行回灌；雖然部分單體回灌設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)加壓回灌的功能，但操作性差和無(wú)法準(zhǔn)確調(diào)整回灌參數(shù)，回灌效果不佳；因濟(jì)南泉域地下水系統(tǒng)的獨(dú)特性，普通的回灌技術(shù)不能達(dá)到補(bǔ)給泉域地下水系統(tǒng)的水質(zhì)要求，無(wú)法達(dá)到保護(hù)泉水環(huán)境的目的[2-8]；采用先進(jìn)的集水沉淀箱及全自動(dòng)清洗過(guò)濾器對(duì)基坑排水水質(zhì)進(jìn)行過(guò)濾，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的，使回灌水質(zhì)符合環(huán)保要求。為了配合濟(jì)南市政府的工作要求，重點(diǎn)解決濟(jì)南軌道交通建設(shè)基坑降水工程中的回灌問(wèn)題，有效保護(hù)泉水環(huán)境，我們研制了一套基坑工程降水回灌一體化裝置。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)組成

研制的降水回灌一體化裝置主要由回灌主機(jī)和集水箱兩部分組成，見(jiàn)圖1、圖2。各組件由管件閥門(mén)連接固定在整體底座上，形成降水回灌一體化裝置；排污口集中排放，設(shè)備整體安裝，便于運(yùn)輸，防雨防塵，也可以安裝于集裝箱內(nèi)，更適用于野外作業(yè)。降水回灌一體化裝置主要由以下幾個(gè)組件構(gòu)成：

圖1回灌主機(jī)示意圖
Fig.1Schematic diagram of the recharge engine

圖2 集水箱立面示意圖Fig.2 Diagram of water collection tank elevation

(1)水泵。水泵的選擇應(yīng)充分考慮基坑的總排水量，基坑涌水量受地質(zhì)條件、水位降深和季節(jié)影響大，基坑抽水會(huì)隨著時(shí)間的增加而減少，后期達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定值，初期抽水量一般是穩(wěn)定值的4倍。為保證水泵工作的連續(xù)性和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，根據(jù)濟(jì)南市地下水特點(diǎn)及基坑降水施工要求和多年施工經(jīng)驗(yàn)，選用流量60～100 m3/h、揚(yáng)程60 m的水泵；也可以采用具有變頻功能的水泵，實(shí)現(xiàn)流量壓力自動(dòng)控制。

(2)過(guò)濾器。過(guò)濾器的選擇應(yīng)符合國(guó)家對(duì)取水回灌水質(zhì)的要求，避免二次污染及堵塞回灌井濾水管。選用城市供水中級(jí)過(guò)濾器，電動(dòng)壓差全自動(dòng)清洗(采用進(jìn)出水壓差或時(shí)間控制，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)刷版涮洗過(guò)濾器，同時(shí)排污閥打開(kāi)排污，清洗時(shí)間5～30 s可調(diào))，實(shí)現(xiàn)清洗排污自動(dòng)控制。

(3)壓力罐。采用的壓力罐直徑為1.8 m，高2.2 m，額定壓力1 MPa，安全性能符合國(guó)家安全技術(shù)規(guī)范的基本要求。壓力罐用于回灌系統(tǒng)的分流、平衡水量及壓力的作用，避免水泵頻繁開(kāi)啟。

(4)電控系統(tǒng)。通過(guò)采用了先進(jìn)的變頻控制技術(shù)，具有軟啟動(dòng)，有過(guò)載、短路、過(guò)壓、欠壓、缺相、過(guò)熱等保護(hù)功能，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)化操作功能，以滿足不同工況的要求。在異常情況下可以進(jìn)行信號(hào)報(bào)警、自檢、故障判斷等，還能根據(jù)水量的高低自動(dòng)調(diào)節(jié)回灌水流量。利用GPRS/MODEM實(shí)現(xiàn)設(shè)備的有線或無(wú)線遠(yuǎn)程控制，異地實(shí)時(shí)檢測(cè)泵工作狀態(tài)。監(jiān)控中心可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)。壓力傳感器、液位控制器、電磁流量計(jì)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使設(shè)備始終處于高效率的工作狀態(tài)，并對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警記憶處理。

(5)集水箱?？紤]運(yùn)輸方便和使用要求，規(guī)格采用4.0 m×1.0 m×2.5 m，箱內(nèi)有兩道上邊開(kāi)口的隔板，能起到阻隔和過(guò)濾沉淀泥沙的作用，箱底設(shè)排污口，箱蓋設(shè)檢查口，箱體上部設(shè)溢流口，水泵吸水口安裝濾網(wǎng)保護(hù)水泵葉輪，水箱內(nèi)安裝水位計(jì)。

(6)回灌井管材?；毓嗑懿挠芯诠苎b置、止水套管、橋式濾水管和沉淀管組成。管徑一般采用?273 mm，各管之間采用絲扣連接，井口管裝置有高壓膠管接頭，水位自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備。

2 工作原理

基坑降水工程抽出的地下水通過(guò)回灌水質(zhì)處理系統(tǒng)以及水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行水質(zhì)分析，若符合回灌水質(zhì)要求，則進(jìn)入加壓集水系統(tǒng)，加壓集水系統(tǒng)的集水以定流量、定壓力通過(guò)回灌井口裝置進(jìn)入回灌井，實(shí)現(xiàn)降水回灌的目標(biāo)；否則，返回到回灌水質(zhì)處理系統(tǒng)重新對(duì)水質(zhì)進(jìn)行分析并處理(參見(jiàn)圖3)。

圖3工作原理示意圖
Fig.3Schematic diagram of the working principle

回灌水質(zhì)處理系統(tǒng)包括沉淀處理箱和水質(zhì)處理設(shè)備，沉淀處理箱與水質(zhì)處理設(shè)備連接，沉淀處理箱通過(guò)第一級(jí)加壓泵與降水井連接，水質(zhì)處理設(shè)備和沉淀處理箱分別與水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接。

水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)包括水質(zhì)檢測(cè)儀器、回水閥和進(jìn)水閥；水質(zhì)檢測(cè)儀器分別與回水閥和進(jìn)水閥連接；水質(zhì)檢測(cè)儀器根據(jù)檢測(cè)的水質(zhì)是否合格分別控制回水閥和進(jìn)水閥的開(kāi)閉；進(jìn)水閥設(shè)置在水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與加壓集水系統(tǒng)的連接管路上，回水閥設(shè)置在水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與沉淀處理箱的連接管路上。

加壓集水系統(tǒng)包括流量壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)和集水設(shè)備，流量壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)與集水設(shè)備連接，流量壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)與井口裝置連接，集水設(shè)備與水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接。流量壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括流量壓力調(diào)節(jié)裝置以及與其分別連接的流量表和壓力表；在流量壓力調(diào)節(jié)裝置與壓力表的連接管路上設(shè)置傳感系統(tǒng)。

井口裝置包括回灌通道、回?fù)P通道和排氣閥、回灌閥門(mén)和回?fù)P閥門(mén)，其中，排氣閥設(shè)置于井管上，用于控制井管內(nèi)空氣，回灌閥門(mén)設(shè)置于回灌通道上端，回?fù)P閥門(mén)設(shè)置于回?fù)P通道上端；回灌通道和回?fù)P通道均連接井管。

回灌井包括井下部件及防護(hù)層，其中，井下部件包括從上至下依次相連的井管和濾水管；井下部件與井口裝置連接，防護(hù)層包括雙層止水層、隔水固定層和雙層過(guò)濾層，雙層止水層設(shè)置于井管外側(cè)，雙層止水層的外側(cè)設(shè)置有隔水固定層，濾水管外包括雙層過(guò)濾層，濾水管下端設(shè)置有泵室，泵室內(nèi)設(shè)置有回?fù)P潛水泵。

回?fù)P潛水泵設(shè)置于距離回灌井井底0.3～0.7 m，充分將堵塞懸浮物排出，保證回?fù)P通過(guò)井管直接到達(dá)井口部件。

3 技術(shù)特色

研制的基坑工程降水回灌一體化裝置通過(guò)壓力控制系統(tǒng)、凈化過(guò)濾系統(tǒng)、回灌分流系統(tǒng)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、智能電控系統(tǒng)等五部分協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制管理，達(dá)到基坑降水與回灌一體化，減小基坑降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。其技術(shù)特色如下：

(1)水質(zhì)凈化。基坑工程降水回灌一體化裝置充分考慮到回灌地下水水質(zhì)的要求，通過(guò)凈化過(guò)濾系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化功能，確保地下水不受回灌水污染。凈化過(guò)濾系統(tǒng)包括集水沉淀箱(圖4)和全自動(dòng)凈化過(guò)濾器(圖5)兩部分組成，通過(guò)集水沉淀箱的自動(dòng)沉淀排污功能和全自動(dòng)凈化過(guò)濾器的凈化過(guò)濾功能，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化的要求。

圖4 集水沉淀箱Fig.4 Precipitation tank

圖5 全自動(dòng)清洗過(guò)濾器Fig.5 Fully automatic cleaning filter

(2)壓力控制。壓力控制系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，自動(dòng)模式下，壓力控制系統(tǒng)可以根據(jù)參數(shù)設(shè)置以及自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的反饋結(jié)果，根據(jù)回灌壓力的大小，自動(dòng)控制回灌量，從而實(shí)現(xiàn)某個(gè)壓力下的穩(wěn)定回灌。當(dāng)回灌量較小時(shí)，回灌壓力相對(duì)較小，當(dāng)回灌量較大時(shí)，回灌壓力響應(yīng)增大，通過(guò)壓力控制系統(tǒng)的自動(dòng)協(xié)調(diào)，可以根據(jù)回灌量的大小實(shí)現(xiàn)有壓和無(wú)壓的一體化，使回灌效率增大。

(3)回灌分流。基坑降水通過(guò)集水總管匯集到本裝置內(nèi)，經(jīng)過(guò)水質(zhì)凈化、加壓等處理后，可以通過(guò)回灌總管連接到多個(gè)回灌井(圖6～8)，使回灌井及回灌水均勻分布，不至于使某一區(qū)域地下水位過(guò)度上升或壓力過(guò)大，從而對(duì)該區(qū)域的地層結(jié)構(gòu)造成影響。

圖6 回灌分流器Fig.6 Recharge shunt

圖7 井口分流Fig.7 Wellhead diversion

圖8 井口安裝Fig.8 Wellhead installation

(4)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基坑工程降水回灌一體化裝置可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能(圖9、10)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容有回灌量、回灌速率、地下水水位變化、回灌壓力、設(shè)備故障等，以上內(nèi)容不但可以自動(dòng)存儲(chǔ)于設(shè)備內(nèi)，而且可以自動(dòng)上傳到云端控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

圖10 流速、流量監(jiān)測(cè)Fig.10 Velocity and flow monitoring

(5)智能全過(guò)程控制?；庸こ探邓毓嘁惑w化裝置可根據(jù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)，通過(guò)智能電控系統(tǒng)(圖11、12)，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化控制，包括水泵的開(kāi)關(guān)、回灌壓力的調(diào)整，水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)整，全自動(dòng)凈化過(guò)濾系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)等。通過(guò)智能電控系統(tǒng)，能夠保證降水環(huán)保回灌裝置的運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定、可視、可控的狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)降水與回灌一體化，有壓與無(wú)壓的一體化。

圖11 智能電控箱Fig.11 Intelligent electronic control box

4 工程應(yīng)用

為了研究回灌效果，在濟(jì)南軌道交通R1線大楊莊站基坑工程降水的過(guò)程中采用降水回灌一體化裝置進(jìn)行回灌。大楊莊站位于齊魯大道與經(jīng)十西路交叉口，沿齊魯大道南北向布置?；涌傞L(zhǎng)約516.40 m，開(kāi)挖深度為16.5～26.0 m，采用咬合樁+內(nèi)支撐支護(hù)止水體系；標(biāo)準(zhǔn)段水位降深約12.0 m，局部換乘段水位降深約20.0 m，計(jì)算的基坑總涌水量約15000 m3/d。基坑周邊環(huán)境較復(fù)雜，構(gòu)筑物、地下管線密集。

圖12智能電控系統(tǒng)操作界面
Fig.12Operating interface of the intelligent electronic control system

為研究場(chǎng)地水文地質(zhì)條件及含水層水文地質(zhì)參數(shù)，確定單井回灌量及回灌速率及回灌對(duì)周邊環(huán)境的影響，選擇H2、H3、H5、H6進(jìn)行回灌試驗(yàn)。其中H3試驗(yàn)成果見(jiàn)圖13，其回灌量與回灌壓力呈線性關(guān)系，回灌量隨著回灌壓力的增加而呈線性增加[9-12]。

圖13 回灌量Q與回灌壓力P關(guān)系曲線Fig.13 Recharge quantity Q vs recharge pressure P curve

在基坑降水回灌過(guò)程中，對(duì)基坑兩側(cè)的觀測(cè)井進(jìn)行水位監(jiān)測(cè)[13]，分析評(píng)價(jià)基坑周邊地下水位的變化情況，確保安全。觀測(cè)井位于基坑兩側(cè)外約6～10 m范圍內(nèi)。由于基坑分兩段開(kāi)挖、降水，回灌井也隨著調(diào)整，確?；毓嘈Ч?。降水與回灌從2017年5月10日開(kāi)始到2018年2月18日結(jié)束，觀測(cè)歷時(shí)287 d，回灌率達(dá)到95%以上，周邊地下水位上升約0.4～1.1 m，影響范圍在100 m以內(nèi)，基坑從南向北右線附近地下水變化見(jiàn)圖14。根據(jù)對(duì)周邊建(構(gòu))筑物、管線等變形監(jiān)測(cè)，變形值極小，說(shuō)明回灌雖然會(huì)引起基坑周邊地下水位上升[14-15]，但幅度較小，影響小，設(shè)備得到了成功的應(yīng)用。

圖14 回灌過(guò)程中基坑從南向北右線附近地下水變化曲線圖Fig.14 Groundwater change curve at the foundation pit from south to north in the recharge process

5 結(jié)語(yǔ)

研制的基坑工程降水回灌一體化裝置可以有效增加回灌水量,并且回灌水質(zhì)滿足環(huán)保要求，確保泉域地下水系統(tǒng)補(bǔ)給、徑流、排泄的動(dòng)態(tài)平衡，有效減小了工程建設(shè)對(duì)泉水水位的影響，避免工程建設(shè)對(duì)地下水環(huán)境的影響，達(dá)到工程建設(shè)與泉水保護(hù)相協(xié)調(diào)的目標(biāo)。研究成果已獲國(guó)家專利5項(xiàng)，其中發(fā)明專利3項(xiàng)，實(shí)用新型專利2項(xiàng)，具有良好的技術(shù)特色。設(shè)備成功應(yīng)用于濟(jì)南軌道交通R1號(hào)線大楊莊站基坑降水回灌項(xiàng)目，受到中央電視臺(tái)、山東電視臺(tái)、濟(jì)南電視臺(tái)、齊魯晚報(bào)等媒體的廣泛關(guān)注，取得了良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。